英語語言理解在棉花打頂機(jī)上的應(yīng)用研究

向婷婷

(塔里木大學(xué) 人文學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

棉花是我國第二大經(jīng)濟(jì)作物，在長江黃河的中下游及新疆地區(qū)廣泛種植。我國的棉花產(chǎn)量位居世界前列，棉花產(chǎn)業(yè)為紡織工業(yè)提供了原料，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。近幾年，勞動力轉(zhuǎn)移引起棉花種植成本增加，加上部分棉產(chǎn)區(qū)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，導(dǎo)致我國棉花種植面積和產(chǎn)量有所下降。棉花生產(chǎn)機(jī)械化是解決這一問題的有效途徑。目前，我國研制的棉花機(jī)械已經(jīng)覆蓋整地播種、田間管理和采摘收獲等環(huán)節(jié)，但是棉花的整體機(jī)械化程度較低，機(jī)械工作效率和技術(shù)水平與國外差距較為明顯，還有進(jìn)一步提升的潛力[1]。

棉花打頂用于去除其生長的頂端優(yōu)勢，將水分和營養(yǎng)向生殖生長轉(zhuǎn)移，增加棉鈴數(shù)量和質(zhì)量，能夠起到明顯的增產(chǎn)效果[2]。傳統(tǒng)的打頂方式以人工打頂和化學(xué)控制為主，都有各自的適用范圍，也有其相應(yīng)的局限性。人工打頂?shù)姆椒ê唵?，但勞動?qiáng)度大，作業(yè)效率較低；另外，該方法的成本高昂，不符合現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢[3]。化學(xué)控制是用化學(xué)物質(zhì)抑制棉花的營養(yǎng)生長，從而起到與打頂相同的作用。該方法的技術(shù)含量高，但是控制效果受到較多因素的影響，且對人畜產(chǎn)生附帶的毒害，影響了其推廣應(yīng)用。

棉花打頂機(jī)械的作業(yè)效率高，克服了傳統(tǒng)方式的缺點(diǎn)，在棉花生產(chǎn)中有廣闊的應(yīng)用前景。我國科研人員對棉花的機(jī)械打頂技術(shù)進(jìn)行了研究，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了各種型號的打頂機(jī)械。棉田環(huán)境復(fù)雜，打頂機(jī)的作業(yè)效率會受振動和塵土的影響，作業(yè)精度也不高，存在漏打頂和過打頂問題[4-6]。因此，目前的棉花打頂機(jī)大多處于試驗(yàn)階段，只有解決了各種技術(shù)難題后才能在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)揮理想的效果。

在棉花打頂機(jī)上，打頂高度自動控制的相關(guān)研究最多。李霞等利用傳感器發(fā)出超聲波來測量棉花株高，經(jīng)過分析和修正后為打頂高度的自動控制提供數(shù)據(jù)[7]。他們將這種方法與打頂機(jī)械結(jié)合，對實(shí)際應(yīng)用中面臨的問題進(jìn)行了分析，表明其具有較好的適應(yīng)性[8]。孫杰基于激光對射技術(shù)，設(shè)計(jì)了棉花打頂高度自動控制系統(tǒng)，能夠代替人工完成打頂作業(yè)，表現(xiàn)出更高的作業(yè)效率[9]。另外，在電源開關(guān)控制上，張明輝等設(shè)計(jì)了由編碼和解碼芯片構(gòu)成的無線遙控電源開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了對棉花打頂機(jī)的遠(yuǎn)程控制[10]。楊斌等通過對棉花打頂機(jī)液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模擬和仿真分析，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度[11]。孫杰等設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的自動測距系統(tǒng)，有效地解決了棉花打頂機(jī)能耗大和電機(jī)損耗嚴(yán)重的問題[6]。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)正在朝自動化和智能化的方向發(fā)展，各種類型的傳感器、芯片和計(jì)算機(jī)已經(jīng)與農(nóng)業(yè)機(jī)械緊密結(jié)合，極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率。上述針對棉花打頂機(jī)的研究只提高了單個性能，沒有完成多個系統(tǒng)的整合和打頂機(jī)整體技術(shù)水平的提升。農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動化和智能化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，因此先進(jìn)的控制系統(tǒng)對實(shí)現(xiàn)打頂機(jī)的自動化和智能化尤為重要。

語言理解是促進(jìn)棉花打頂機(jī)各系統(tǒng)整合和整體性能提升的有效方式。語言理解是一種主動的意義構(gòu)建過程，最初定義為人類在接收語言后通過想象語言描述的情境，從而揭示語言意義的過程。計(jì)算機(jī)科學(xué)推動了人工智能的進(jìn)步，學(xué)科的交叉使得語言理解超出了人文科學(xué)的范圍，開始與自然科學(xué)的部分領(lǐng)域結(jié)合。目前，語言理解在機(jī)械設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛，成為工序建模和三維重建的基礎(chǔ)[12-13]。

語言理解在自然科學(xué)中可以概括為利用計(jì)算機(jī)處理語言的音、形和義，對字、詞、句、篇進(jìn)行輸入、輸出、識別和理解，從而實(shí)現(xiàn)語言的表達(dá)和描述功能。語言的計(jì)算機(jī)理解是一門較新的邊緣學(xué)科，也是一門涉及到多個領(lǐng)域的交叉學(xué)科。語言理解的內(nèi)容包括計(jì)算機(jī)指令的形成、傳輸、識別和處理，因此可以應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械的控制上，提高其智能化水平。英語是當(dāng)今世界最主要的國際通用語言，其語法和詞法簡單，語感輕松自然。英語的少量單詞加上簡單語法便可以表達(dá)出豐富的內(nèi)容，因此針對英語的語言理解可以應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)和自動控制上。本文對英語語言理解中的篇章名詞、動詞、形容詞和介詞在棉花打頂機(jī)上進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了打頂機(jī)的動力測試、無線遙控和打頂高度控制系統(tǒng)，以提高打頂機(jī)的智能化水平。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

1.1 硬件和軟件

研究使用的棉花打頂機(jī)為3MDZ-1型，由1臺高地隙拖拉機(jī)牽引并提供電源和動力。打頂機(jī)上裝載戴爾I3668-18N2型臺式電腦，配置Intel i5處理器、8GB內(nèi)存和1TB硬盤。英語語言理解編程軟件為visual C++，運(yùn)行環(huán)境為Windows10系統(tǒng)。

1.2 整體流程

英語語言理解的核心和最終目的是篇章分析，這也是應(yīng)用于打頂機(jī)的基本內(nèi)容。詞法、語法和句法分析是篇章分析的基礎(chǔ)，它們在英語語言理解整體流程中的關(guān)系如圖1所示。語言理解的流程是首先分析詞法、語法和句法，然后對名詞、動詞、形容詞和介詞分類處理，分別釋義。無法完成釋義的單詞返回語句中重復(fù)分析和分類處理，直至完成釋義。各種類型單詞的聚類釋義是英語語言理解的核心內(nèi)容，以此為基礎(chǔ)按照編程語言做規(guī)范化處理，形成被計(jì)算機(jī)理解的語言格式，用于篇章分析。之后，在軟件中建立程序分析和處理各語句之間的動態(tài)關(guān)系，最終得到圍繞核心事件的模型，完成對英語語義的理解。

圖1 英語語言理解的整體流程Fig.1 Overall process of English language understanding

1.3 組成部分

棉花打頂機(jī)上操作者的指令是用英語來表達(dá)的，語言理解則通過各類單詞的聚類釋義對其進(jìn)行分析，從而獲得指令的具體含義，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的信號來啟動動作執(zhí)行裝置。英語語言理解與打頂機(jī)結(jié)合是以語言理解技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的智能控制系統(tǒng)，包含了英語語言知識庫和控制機(jī)械的決策模塊。系統(tǒng)模仿打頂機(jī)的人工操作模式，總結(jié)人工操作的規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)，形成自身邏輯判斷和決策特征。

以英語語言理解為基礎(chǔ)的打頂機(jī)智能控制系統(tǒng)包含輸入裝置、分析模塊、數(shù)據(jù)庫、推理模塊和控制執(zhí)行裝置，如圖2所示。

圖2 打頂機(jī)智能控制系統(tǒng)的組成Fig. 2 Composition of intelligent control system for top cutter

輸入裝置用于把操作者的口頭或書面指令轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠識別的語言形式，分析模塊接收上述信息，完成從語法分析至篇章分析的過程。分析結(jié)果在英語語言和機(jī)械控制數(shù)據(jù)庫中經(jīng)過比對、篩選后由推理模塊根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的知識進(jìn)行理解，推理形成具體的指令?？刂茍?zhí)行裝置接收指令，完成相應(yīng)的機(jī)械動作和調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)對打頂機(jī)的控制。

2 單詞聚類

名詞聚類首先要建立打頂機(jī)控制的名詞知識庫，包括機(jī)械動力、通信和打頂?shù)南嚓P(guān)名詞，如表1所示。這些名詞在知識庫中的信息應(yīng)該包含概念和各種內(nèi)核格式，可以以此推導(dǎo)出名詞的其它屬性。

表1 部分名詞模板Table 1 Part template of noun

打頂機(jī)控制的動態(tài)過程可以概括為接受指令、分析推理和執(zhí)行指令，每個環(huán)節(jié)又分為多個子程序。在此基礎(chǔ)上，本文建立了打頂機(jī)控制的動態(tài)概念知識庫，通過確定動態(tài)事件之間的順序和關(guān)系，對其進(jìn)行完善，如表2所示。

表2 部分動詞模板Table 2 Part template of verb

形容詞在現(xiàn)代語言學(xué)中被細(xì)分為性質(zhì)形容詞、狀態(tài)形容詞和區(qū)別詞，而語言理解中為了便于計(jì)算機(jī)對信息的處理，又把性質(zhì)形容詞分為一級、二級和三級，用于對事物性質(zhì)的描述。形容詞在打頂機(jī)上用于精確描述和理解操作者的指令，確定分析推理過程的約束條件，最終把推理的結(jié)果轉(zhuǎn)化為可識別的命令進(jìn)行執(zhí)行，如表3所示。

介詞是一種不能單獨(dú)使用的定位附著詞，它們位于名詞、代詞或名詞性單詞之前，用于表示這些名詞與語句中其它單詞之間的時間或方位關(guān)系。介詞在打頂機(jī)控制中用于表現(xiàn)指令接收和分析推理的約束條件，在對方向、時間或?qū)ο箨P(guān)系的定義中引入介詞，才能獲得準(zhǔn)確的英語語言理解結(jié)果，如表4所示。

表3 部分形容詞模板Table 3 Part template of adjective

表4 部分介詞模板Table 4 Part template of preposition

3 控制功能

英語語言理解在打頂機(jī)上的應(yīng)用是根據(jù)分析準(zhǔn)確地理解操作者的意圖，設(shè)計(jì)過程約束條件，推理獲得操作指令，并最終執(zhí)行實(shí)現(xiàn)控制目的。英語語言理解的環(huán)節(jié)依次為建立打頂機(jī)概念單詞從屬樹，建立控制過程樹的事實(shí)，建立靜/動態(tài)事件的事實(shí)，不同控制功能的差別主要體現(xiàn)在最后的環(huán)節(jié)上。

打頂機(jī)動力測試是首先找出機(jī)架上動應(yīng)力較大的危險(xiǎn)部位進(jìn)行測試，利用測試數(shù)據(jù)分析各部位在工作狀態(tài)下的應(yīng)力大小。其中，代表性的事件有：

Static event (Event name: static analysis) (Standard verb: create) (Objective: find the danger spot) (Mode: compare) (start: yes) (End: yes) (Abidance: yes) (Result: yes))；

(Dynamic event (Event name: process) (Standard verb: turn) (Objective: machines go forward) (Mode: operate) (Start: blank) (End: blank) (Abidance: blank) (Result: blank))。

打頂機(jī)無線遙控是設(shè)計(jì)無線電源開關(guān)系統(tǒng)，測試遙控的抗噪音性能。其中，代表性的事件有：

(Static event (Event name: Signal emission) (Standard: verb code) (Objective: demodulation control instruction) (Mode: wireless) (Start: yes) (End: yes) (Abidance: yes) (Result: yes))；

(Dynamic event (Event name: command execution) (Standard: verb act) (Objective: power on) (Mode: solenoid valve) (Start: blank) (End: blank) (Abidance: blank) (Result: blank))。

打頂機(jī)打頂高度控制是利用超聲波測定棉花植株高度，提高打頂?shù)木_性。其中，代表性的事件有：

(Static event (Event name: pulse excitation) (Standard: verb launch) (Objective: ultrasonic excitation) (Mode: voltage resonance) (Start: yes) (End yes) (Abidance: yes) (Result: yes))；

(Dynamic event (Event name: stepper motors turn on) (Standard verb: turn)(Objective: height adjustment) (Mode: lift) (Start: blank) (End: blank) (Abidance: blank) (Result: blank))。

4 結(jié)論

本文對英語語言理解中的篇章名詞、動詞、形容詞和介詞在棉花打頂機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行了研究，其核心是以詞法、語法和句法分析為基礎(chǔ)的篇章分析。首先，分析詞法、語法和句法；然后，對各類單詞分類，分別釋義，按照編程語言做規(guī)范化處理后用于篇章分析，篇章分析是處理各語句之間的動態(tài)關(guān)系；最終，得到圍繞核心事件的模型，完成對英語語義的理解。將英語語言理解應(yīng)用于打頂機(jī)的動力測試、無線遙控和打頂高度控制這3種功能，根據(jù)分析準(zhǔn)確地理解操作者的意圖，設(shè)計(jì)過程約束條件，推理獲得操作指令，并最終實(shí)現(xiàn)控制目的。應(yīng)用環(huán)節(jié)依次為建立打頂機(jī)概念單詞從屬樹，建立控制過程樹的事實(shí)，建立靜/動態(tài)事件的事實(shí)。不同控制功能的差別主要體現(xiàn)在最后的環(huán)節(jié)上，分別列舉了代表性的事件。本文設(shè)計(jì)的基于英語語言理解的動力測試、無線遙控和打頂高度控制系統(tǒng)，可以提高打頂機(jī)的智能化水平。